Образование оксидной пленки

Алюминий обладает большим сродством к кислороду. Окисление его может протекать даже при парциальном давлении кислорода порядка 10 40 Па. Образующийся в результате оксид алюминия А12Оз покрывает поверхность металла прозрачной прочной и плотной пленкой, защищающей металл от коррозии в воздушной среде, морской воде и в ряде окислительных сред слабой агрессивности. Предельная толщина пленки 5… 10 нм, образующейся на поверхности алюминия в атмосфере воздуха при комнатной температуре, устанавливается через 7… 14 дней. Оксидная пленка надежно защищает металл от активного окисления до температур 680…720 °С. Дальнейшее повышение температуры сопровождается ухудшением защитных свойств оксидной пленки и значительным ростом ее толщины.

Важной характеристикой оксидной пленки является ее способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар, который удерживается оксидной пленкой вплоть до температуры плавления металла. Отличаясь значительной механической прочностью, оксидная пленка, несмотря на большую плотность, чем у алюминия, легко удерживается на поверхности жидкого металла силами поверхностного натяжения. Коэффициент температурного расширения оксидной пленки почти в 3 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в оксидной пленке образуются трещины.

Наличие оксидной пленки на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления, оксидная пленка, не расплавляясь в процессе сварки, покрывает металл прочной оболочкой, препятствуя образованию общей ванны. Поэтому, чтобы соединить сваркой детали алюминия и его сплавов, необходимо разрушить и удалить оксидную пленку, а также защитить металл от повторного окисления. Так как температура плавления оксидной пленки почти равна температуре кипения металла, то простым тепловым воздействием разрушить пленку практически невозможно. Трудность заключается еще в том, что алюминий и его сплавы в расплавленном состоянии обладают повышенной окисляемостью и с увеличением температуры нагрева резко возрастает скорость образования оксидной пленки. При сварке плавящимся электродом оксидная пленка покрывает не только поверхность сварочной ванны, по и поверхность капель расплавленного электродного металла, что препятствует их сплавлению с основным металлом.

Большая плотность оксидной пленки затрудняет ее удаление из жидкого металла (утонувшие частицы не могут всплыть на поверхность). Так как алюминий не растворяет свои оксиды, то частицы, утонувшие в расплавленном металле ванны, приводят к формированию хрупких включений, нарушающих однородность металла и снижающих механическую прочность металла шва. В дальнейшем они являются очагами коррозии.

Очистка поверхности от оксидов. Удаление с поверхности металла образовавшихся оксидов и защита металла от дальнейшего окисления — одна из важнейших задач при сварке алюминия и его сплавов.

В большинстве случаев механически зачистить и химически протравить поверхность металла перед сваркой недостаточно, так как в процессе нагрева вновь образуется оксидная пленка. Поэтому в обязательном порядке в процессе сварки также используют способы разрушения оксидной пленки.

Известны два основных способа разрушения оксидной пленки в процессе сварки. Первый, более старый способ — разрушение пленки при помощи флюсов. Флюсы и покрытия электродов для сварки алюминия и его сплавов построены однотипно. Основу флюсов, как правило, составляют легкоплавкие смеси хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов (NaCl, КС1, ВСЬ, LiCl) и их природных соединений, например, криолита (Na3AlF₆), к которым добавляют небольшое количество фтористых соединений (KF, NaF), активизирующих действия флюсов.

Механизм действия флюсов заключается в следующем. В процессе нагрева металла благодаря различным коэффициентам теплового расширения металла и пленки в последней образуются мельчайшие трещины, куда затекает расплавленный флюс, содержащий хлориды. В результате взаимодействия алюминия с флюсом образуется соединение А1С1₃. Хлорид алюминия испаряется при температуре 183 °C и при сварке обладает высокой упругостью пара. Образующиеся в месте контакта с жидким металлом пары хлористого алюминия отрывают от его поверхности частицы пленки, которые уносятся движущимся флюсом и частично в нем растворяются.

Действие фторидов, содержащихся во флюсах, на повышение активности флюсов объясняется тем, что фториды, растворяя оксид алюминия преимущественно по границам образующихся в пленке трещин, обеспечивают доступ флюсов к жидкому металлу под пленкой, активизируя процесс ее разрушения парами хлористого алюминия.

Второй способ разрушения оксидной пленки — электрический. Этот процесс наблюдается при аргонодуговой сварке плавящимся электродом на токе обратной полярности или при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе, когда катодом является изделие. В этих условиях разрушение оксидной пленки происходит за счет катодного распыления, обусловленного бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами. Вследствие относительно больших размеров ионы при соударении отдают свою энергию поверхностным атомам, в результате создаются благоприятные условия для их испарения. При этом в первую очередь испаряются атомы поверхностных оксидных пленок. Однако таким способом можно удалить только относительно тонкую пленку, поэтому ему предшествует предварительная качественная механическая или химическая обработка свариваемых деталей и присадочной проволоки. Для предупреждения дополнительного окисления сварочной ванны и засорения се оксидами в процессе сварки применяют аргон высокой чистоты.